Lorsque les étoiles à neutrons entrent en collision, l’explosion est parfaitement sphérique

Les kilonovae sont des explosions incroyablement puissantes. Alors que les supernovae régulières se produisent lorsque deux naines blanches entrent en collision, ou que le noyau d’une étoile massive s’effondre en une étoile à neutrons, les kilonovae se produisent lorsque deux étoiles à neutrons entrent en collision. On pourrait penser que les collisions d’étoiles à neutrons produiraient des explosions avec toutes sortes de formes étranges en fonction de l’angle et de la vitesse des collisions, mais de nouvelles recherches montrent que les kilonovae sont très sphériques, ce qui a de sérieuses implications pour la cosmologie.

Les explosions de Kilonova ont été prédites pour la première fois en 1974, mais nous n’avons pu les identifier de manière fiable qu’au cours de la dernière décennie. Cela est dû en partie à une analyse spectrale détaillée et en partie à notre capacité à détecter les fusions d’étoiles à neutrons par le biais d’ondes gravitationnelles. La combinaison des données gravitationnelles et optiques nous donne une bien meilleure compréhension de ces collisions.

Les explosions de Kilonova jouent un rôle clé dans l’évolution de l’univers, en particulier dans la façon dont les éléments lourds sont créés. Les étoiles à neutrons sont une masse dense de nucléons, de sorte que leur collision crée et disperse la plupart des éléments plus loin le long du tableau périodique que le fer. Des éléments tels que l’or et le platine. La plupart des matériaux critiques pour nos appareils électroniques sont créés dans les kilonovae. Mais les détails de ce processus ne sont pas bien compris, comme le montre cette étude récente.

L’équipe a examiné les données de l’événement d’ondes gravitationnelles GW170817. L’événement a également été observé à des longueurs d’onde optiques comme AT2017gfo. D’après les données des ondes gravitationnelles, nous savons que les deux étoiles à neutrons tournaient environ 100 fois par seconde juste avant leur collision, ce qui signifie que l’explosion aurait dû se dilater en un disque quelque peu aplati. Mais lorsque l’équipe a mesuré le mouvement de la coque en expansion, ils ont trouvé une coque sphérique d’éléments plus légers. Par conséquent, nous savons que l’explosion était sphérique, et nous savons que ce n’était pas parce que les étoiles à neutrons se sont heurtées d’une manière sphérique inhabituelle. Quelque chose dans l’explosion la rend sphérique, ce à quoi l’équipe ne s’attendait pas.

Nous ne savons pas pourquoi les explosions de kilonova comme celle-ci sont sphériques, mais il y a quelques idées. La première est que les deux étoiles à neutrons fusionnent pour former une seule étoile à neutrons supermassive avant de s’effondrer pour devenir un trou noir. Une autre est que la formation d’un trou noir lors de la collision libère une intense explosion d’énergie sphérique au dernier moment, ce qui fait que le matériau se dilate de manière plus sphérique. La compréhension des détails de ce processus sera au centre des recherches futures et nous aidera à comprendre le processus de création des éléments.

Il y a un avantage secondaire à cette découverte, et cela a à voir avec l’énergie noire et l’expansion cosmique. Diverses mesures de l’expansion cosmique ont trouvé des taux légèrement en désaccord les uns avec les autres. Cette “tension” dans nos mesures signifie qu’il y a un problème subtil avec notre modèle cosmologique. Pour résoudre ce problème, les astronomes ont cherché de nouvelles façons de mesurer l’expansion cosmique. Grâce à ces travaux, les astronomes ont pu utiliser les kilonovae comme bougie standard pour mesurer l’expansion cosmique. Étant donné que les explosions de kilonovae sont sphériques, les astronomes pourraient comparer la taille apparente d’une explosion de supernova avec sa taille réelle vue par le mouvement du gaz, et ainsi mesurer le taux d’expansion cosmique à différentes distances.

Il y a encore beaucoup de choses que nous ne comprenons pas sur les kilonova, mais grâce à cette recherche, nous avons de nouvelles façons de les comprendre, ainsi que l’univers dans son ensemble.

Référence: Sneppen, Albert et al. “Symétrie sphérique dans le kilonova AT2017gfo/GW170817.” Nature 614 (2023): 436–439.